計算機組成原理第五章中央處理器[二]

1、5.2.8 5.2.8 指令的微操作序列指令的微操作序列 控制器在實現(xiàn)一條指令功能時，總要將每條控制器在實現(xiàn)一條指令功能時，總要將每條指令分解為一系列時間上有先后次序的最基指令分解為一系列時間上有先后次序的最基本、最簡單的微操作，即微操作序列。本、最簡單的微操作，即微操作序列。 微操作序列是與微操作序列是與CPUCPU的內(nèi)部數(shù)據(jù)通路密切的內(nèi)部數(shù)據(jù)通路密切相關(guān)的，相同的指令在不同的數(shù)據(jù)通路相關(guān)的，相同的指令在不同的數(shù)據(jù)通路( (如如專用數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)、總線結(jié)構(gòu)專用數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)、總線結(jié)構(gòu)) ) 中有不同的中有不同的微操作序列。微操作序列。ALUALUB B總線總線圖圖5.15 5.15 雙總線結(jié)構(gòu)機

2、器的數(shù)據(jù)通路雙總線結(jié)構(gòu)機器的數(shù)據(jù)通路IRoIRoIRiIRiIRIRPCPCPCiPCiPCoPCoARARARiARiR/WR/W MMDRDRDRiDRiDRoDRoR0R0R1R1 R2R2R3R3yi yixi xiX XY Y+ +_ _G GCUCUA A總線總線 假設(shè)某機數(shù)據(jù)通路如圖假設(shè)某機數(shù)據(jù)通路如圖5.155.15所示。規(guī)定各部件用大寫所示。規(guī)定各部件用大寫字母表示，字母加下標(biāo)字母表示，字母加下標(biāo)inin表示該部件的接收控制信號，實表示該部件的接收控制信號，實際上就是該部件的輸入開門信號際上就是該部件的輸入開門信號( (如如PCin)PCin)；字母加下標(biāo)字母加下標(biāo)outou

3、t表示該部件的發(fā)送控制信號，實際上就是該部件的輸表示該部件的發(fā)送控制信號，實際上就是該部件的輸出開門信號出開門信號( (如如PCout)PCout)。未標(biāo)注字符的線為直通線，不受未標(biāo)注字符的線為直通線，不受控制?？刂?。ALUALUB B總線總線圖圖5.15 5.15 雙總線結(jié)構(gòu)機器的數(shù)據(jù)通路雙總線結(jié)構(gòu)機器的數(shù)據(jù)通路IRoIRoIRiIRiIRIRPCPCPCiPCiPCoPCoARARARiARiR/WR/W MMDRDRDRiDRiDRoDRoR0R0R1R1 R2R2R3R3yi yixi xiX XY Y+ +_ _G G控控制制器器A A總線總線 試畫出執(zhí)行以下不同指令時的試畫出執(zhí)行以

4、下不同指令時的指令周期流程圖指令周期流程圖，并列，并列出相應(yīng)出相應(yīng)微操作控制信號序列。微操作控制信號序列。 (1)ADD R2(1)ADD R2，R0; (R0)+(R2) R0R0; (R0)+(R2) R0 (2)SUB R1 (2)SUB R1，R3; (R3)-(R1) R3R3; (R3)-(R1) R3 ( PC ) ( PC ) AR ARM DRM DR(DR) IR(DR) IR(R0)+(R2)R0(R0)+(R2)R0(R0) X(R0) X(R2) Y(R2) Y(R3)-(R1) R3(R3)-(R1) R3(R1 )X(R1 )X(R3) Y(R3) Y(DR) I

5、R(DR) IRM DRM DR(PC ) AR(PC ) ARPCoPCo，G G，ARiARiR/W=RR/W=RDRoDRo，G G，IRiIRiR2oR2o，G G，YiYiR0oR0o，G G，XiXi+ +，G G，R0iR0iR3oR3o，G G，YiYiR1oR1o，G G，XiXi- -，G G，R3iR3i取取指指(PC)+1 PC(PC)+1 PC(PC)+1 PC(PC)+1 PC +1圖圖5.16 5.16 加法與減法指令周期流程圖與微命令序列加法與減法指令周期流程圖與微命令序列P.209 2P.209 2、3 3題題 2 2、參見圖、參見圖5.155.15的數(shù)據(jù)通路

6、。畫出存數(shù)指令的數(shù)據(jù)通路。畫出存數(shù)指令“STA R1STA R1，(R2)”(R2)”的指令周期流程圖，其含的指令周期流程圖，其含義是將寄存器義是將寄存器R1R1的內(nèi)容傳送至的內(nèi)容傳送至(R2)(R2)為地址的為地址的主存單元中。標(biāo)出各微操作信號序列。主存單元中。標(biāo)出各微操作信號序列。 3 3、參見圖、參見圖5.155.15的數(shù)據(jù)通路。畫出取數(shù)指令的數(shù)據(jù)通路。畫出取數(shù)指令“LDA (R3)LDA (R3)，R0”R0”的指令周期流程圖，其含的指令周期流程圖，其含義是將義是將(R3)(R3)為地址的主存單元的內(nèi)容取至寄為地址的主存單元的內(nèi)容取至寄存器存器R0R0中，標(biāo)出各微操作控制信號序列。中，

7、標(biāo)出各微操作控制信號序列。STARTSTART(PC)AR(PC)ARMDRMDR(DR)IR(DR)IRDECODEDECODE(R2)AR(R2)AR(R1)DR(R1)DR(DR)M(DR)M(R3)AR(R3)ARMDRMDR(DR)R0(DR)R0( (取指部分略取指部分略) )2 2、3 3、PCoPCo，G G，ARiARiR/WR/W* *=R (RD M)=R (RD M)DRoDRo，G G，IRiIRiR2oR2o，G G，ARiARiR1oR1o，G G，DRiDRiP.209 2P.209 2、3 3題解答題解答. .(PC)+1 PC(PC)+1 PC+1 例例:

8、:在上例給出的條件下在上例給出的條件下, ,寫出完成下述四條單寫出完成下述四條單字長指令的操作流程及相應(yīng)的控制信號字長指令的操作流程及相應(yīng)的控制信號. . (1) MOV R1,R0 (R0) R1 (1) MOV R1,R0 (R0) R1 (2) MOV R1,R0 (R0) (R1) (2) MOV R1,R0 (R0) (R1) (3) MOV R3,R2 (R2) R3 (3) MOV R3,R2 (R2) R3 (4) MOV R3,R2 (R2) (R3) (4) MOV R3,R2 (R2) (R3) 指令格式如下指令格式如下, ,其中其中XdXd和和RdRd分別為目的操作數(shù)分

9、別為目的操作數(shù)和源操作數(shù)的尋址方式特征位和源操作數(shù)的尋址方式特征位. . OPOP Xd Xd Rd RdXsXs Rs Rs8 8 2 2 2 2 2 2 2 2目的目的源源ALUALUB B總線總線IRoIRoIRiIRiIRIRPCPCPCiPCiPCoPCoARARARiARiR/WR/W MMDRDRDRiDRiDRoDRoR0R0R1R1 R2R2R3R3yi yixi xiX XY Y+ +_ _G G控控制制器器A A總線總線 解解: ( PC ) ( PC ) AR ARM DRM DR(DR) IR(DR) IRPCoPCo，G G，ARiARiR/W=RR/W=RDRoD

10、Ro，G G，IRiIRi取取指指(PC)+1 PC(PC)+1 PC +1(R0) R1(R0) R1R0o,G,R1iR0o,G,R1i四條單字長指令的取四條單字長指令的取指操作流程及相應(yīng)控指操作流程及相應(yīng)控制信號見左圖制信號見左圖.指令指令MOV R1,R0;(R0) R1MOV R1,R0;(R0) R1的操作流程及相應(yīng)控制信號的操作流程及相應(yīng)控制信號如下如下: :ALUALUB B總線總線IRoIRoIRiIRiIRIRPCPCPCiPCiPCoPCoARARARiARiR/WR/W MMDRDRDRiDRiDRoDRoR0R0R1R1 R2R2R3R3yi yixi xiX XY

11、Y+ +_ _G G控控制制器器A A總線總線 (2) MOV R1,R0 (R0) (R1)(2) MOV R1,R0 (R0) (R1)解解:該指令取值階段操作流程及相應(yīng)的控制信號同該指令取值階段操作流程及相應(yīng)的控制信號同(1)(1)的取的取值部分值部分. .執(zhí)行階段的操作流程及執(zhí)行階段的操作流程及相應(yīng)的控制信號如下相應(yīng)的控制信號如下: ( R1 ) ( R1 ) AR AR ( R0 ) ( R0 ) DR DR ( MDR ) ( MDR ) M M執(zhí)執(zhí)行行R/W=WR/W=W略略ALUALUB B總線總線IRoIRoIRiIRiIRIRPCPCPCiPCiPCoPCoARARARiA

12、RiR/WR/W MMDRDRDRiDRiDRoDRoR0R0R1R1 R2R2R3R3yi yixi xiX XY Y+ +_ _G G控控制制器器A A總線總線 (3) MOV R3,R2 (R2) R3(3) MOV R3,R2 (R2) R3解解:該指令取值階段操作流程及相應(yīng)的控制信號同該指令取值階段操作流程及相應(yīng)的控制信號同(1)(1)的取的取值部分值部分. .執(zhí)行階段的操作流程及執(zhí)行階段的操作流程及相應(yīng)的控制信號如下相應(yīng)的控制信號如下: ( R2) ( R2) AR ARM DRM DR ( MDR ) ( MDR ) R3 R3執(zhí)執(zhí)行行R/W=RR/W=R略略ALUALUB B總

13、線總線IRoIRoIRiIRiIRIRPCPCPCiPCiPCoPCoARARARiARiR/WR/W MMDRDRDRiDRiDRoDRoR0R0R1R1 R2R2R3R3yi yixi xiX XY Y+ +_ _G G控控制制器器A A總線總線 (4) MOV R3,R2 (R2) (R3)(4) MOV R3,R2 (R2) (R3)解解:該指令取值階段操作流程及相應(yīng)的控制信號同該指令取值階段操作流程及相應(yīng)的控制信號同(1)(1)的取的取值部分值部分. .執(zhí)行階段的操作流程及執(zhí)行階段的操作流程及相應(yīng)的控制信號如下相應(yīng)的控制信號如下: ( R2) ( R2) AR ARM DRM DR

14、( R3 ) ( R3 ) AR AR DR DR M M 例例: :在上例給出的條件下在上例給出的條件下, ,寫出完成下述四條雙寫出完成下述四條雙字長指令的操作流程及相應(yīng)的控制信號字長指令的操作流程及相應(yīng)的控制信號. . (1) MOV R0,#N N R0 (1) MOV R0,#N N R0 (2) MOV R1,#N N (R1) (2) MOV R1,#N N (R1) (3) MOV R2,N (N) R2 (3) MOV R2,N (N) R2 (4) MOV R3,N (N) R3 (4) MOV R3,N (N) R3 指令格式如下指令格式如下, ,其中其中XdXd和和RdR

15、d分別為目的操作數(shù)分別為目的操作數(shù)和源操作數(shù)的尋址方式特征位和源操作數(shù)的尋址方式特征位. . OPOP Xd Xd Rd RdXsXs Rs Rs8 8 2 2 2 2 2 2 2 2NN ( PC ) ( PC ) AR ARM DRM DR(DR) IR(DR) IR取取指指(PC)+1 PC(PC)+1 PC ( PC ) ( PC ) AR ARM DRM DR(PC)+1 PC(PC)+1 PC解解: 對于雙字長指令，完成對于雙字長指令，完成取指令操作要訪問兩次存取指令操作要訪問兩次存儲器儲器,其操作流程及相應(yīng)的其操作流程及相應(yīng)的控制信號如右所示?？刂菩盘柸缬宜尽?1) (1) M

16、OV R0,#N ; N R0MOV R0,#N ; N R0指令執(zhí)行階段的操作流程指令執(zhí)行階段的操作流程圖如下圖如下: :(MDR) R0(MDR) R0MDRo,G,R0iMDRo,G,R0i 解解 (2) : (2) : 指令指令MOV R1,#NMOV R1,#N； N (R1)N (R1)的執(zhí)的執(zhí)行階段操作流程如下行階段操作流程如下: : 解解(3):(3):指令指令 MOV R2,NMOV R2,N；(N) R2(N) R2的執(zhí)行階的執(zhí)行階段操作流程如下段操作流程如下: : R(1) ARR(1) AR(DR)M(DR)M(DR) AR(DR) ARMDRMDR(DR) R2(DR

17、) R2 解解(4):(4):指令指令 MOV R3,N (N) R3MOV R3,N (N) R3 的執(zhí)行階段操作流程如下的執(zhí)行階段操作流程如下: : (DR) AR(DR) ARMDRMDR(DR) AR(DR) ARMDRMDR(DR) R3(DR) R3 通過以上幾種通過以上幾種CPUCPU結(jié)構(gòu)和指令流程分析例子可結(jié)構(gòu)和指令流程分析例子可以看出，不同的指令對應(yīng)不同的微操作序列。以看出，不同的指令對應(yīng)不同的微操作序列。 一條指令的微操作序列不僅和指令功能有關(guān)，一條指令的微操作序列不僅和指令功能有關(guān)，而且與而且與CPUCPU的數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。具有相的數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。具有相同同C

18、PUCPU結(jié)構(gòu)的指令系統(tǒng)中所有指令的取指令微結(jié)構(gòu)的指令系統(tǒng)中所有指令的取指令微操作序列是相同的。操作序列是相同的。 指令流程和微操作控制信號序列的分析是設(shè)計指令流程和微操作控制信號序列的分析是設(shè)計控制信號形成部件的基礎(chǔ)，也是理解計算機內(nèi)控制信號形成部件的基礎(chǔ)，也是理解計算機內(nèi)部的工作過程、建立計算機整機概念的重要環(huán)部的工作過程、建立計算機整機概念的重要環(huán)節(jié)。所以，需要大家重點掌握指令流程的分析節(jié)。所以，需要大家重點掌握指令流程的分析方法。方法。 5.3 5.3 時序時序( (信號信號) )產(chǎn)生器和控制器的控制方式產(chǎn)生器和控制器的控制方式5.3.1 5.3.1 時序信號的作用和體制時序信號的作用

19、和體制1 1、作用、作用計算機的控制器必須提供一個時序系統(tǒng)，由它產(chǎn)計算機的控制器必須提供一個時序系統(tǒng)，由它產(chǎn)生一組時序信號送到操作控制器，為每個微操作生一組時序信號送到操作控制器，為每個微操作帶上時間標(biāo)志，再輸出到全機，控制完成指令所帶上時間標(biāo)志，再輸出到全機，控制完成指令所規(guī)定的動作。規(guī)定的動作。CPUCPU執(zhí)行指令的過程就是執(zhí)行指令的過程就是時序控制時序控制的過程的過程。2 2、計算機中時序信號的體制、計算機中時序信號的體制(1)(1)計算機中的時序信號通常采用計算機中的時序信號通常采用“電位電位脈沖脈沖”制制; ;是由計算機中所使用的邏輯器件的特性決定的。是由計算機中所使用的邏輯器件的特

20、性決定的。(2)(2)三級時序系統(tǒng)和二級時序系統(tǒng)三級時序系統(tǒng)和二級時序系統(tǒng) 三級時序系統(tǒng)三級時序系統(tǒng): :硬布線控制器常采用硬布線控制器常采用 ( (主主) )狀態(tài)周期電位狀態(tài)周期電位節(jié)拍電位節(jié)拍電位節(jié)拍節(jié)拍( (工作工作) )脈沖脈沖 二級時序系統(tǒng)二級時序系統(tǒng): :微程序控制器常采用微程序控制器常采用節(jié)拍電位節(jié)拍電位節(jié)拍脈沖節(jié)拍脈沖 由于指令周期不作為時序的一級由于指令周期不作為時序的一級, ,下圖反映了下圖反映了機器周期、時鐘周期、時鐘脈沖三級時序信機器周期、時鐘周期、時鐘脈沖三級時序信號的關(guān)系。號的關(guān)系。 例如，觸發(fā)器使用電位例如，觸發(fā)器使用電位脈沖工作方式，節(jié)拍電位脈沖工作方式，節(jié)拍電

21、位控制信息送到控制信息送到D D觸發(fā)器的觸發(fā)器的D D輸入端，工作脈沖送到輸入端，工作脈沖送到CPCP輸入端。節(jié)拍電位和輸入端。節(jié)拍電位和工作脈沖配合關(guān)系如圖工作脈沖配合關(guān)系如圖5.175.17所示。所示。Q QQ Q* *D CPD CP邏輯電路邏輯電路邏輯電路邏輯電路信息信息節(jié)拍電節(jié)拍電位位Ti打入打入條件條件工作脈工作脈沖沖PiTiPi圖圖5.17 5.17 節(jié)拍電位和工作脈沖的配合關(guān)系節(jié)拍電位和工作脈沖的配合關(guān)系一個指令周期一個指令周期機器周期機器周期( (狀狀態(tài)周期電態(tài)周期電位位)M1)M1M2M2M3M3時鐘周期時鐘周期( (節(jié)拍電節(jié)拍電位位) T1) T1T2T2T3T3時鐘脈沖

22、（工時鐘脈沖（工作脈沖）作脈沖）CLKCLK圖圖5.18 5.18 三級時序信號間的關(guān)系三級時序信號間的關(guān)系3 3、時序系統(tǒng)的組成、時序系統(tǒng)的組成主振主振時鐘時鐘發(fā)生器發(fā)生器啟動啟動暫停暫停周期狀態(tài)周期狀態(tài)觸發(fā)器觸發(fā)器節(jié)拍節(jié)拍發(fā)生器發(fā)生器M1M1M2M2T1T1T2T2CLKCLK圖圖5.19 5.19 時序系統(tǒng)框圖時序系統(tǒng)框圖 主振主振: :石英晶體震蕩器石英晶體震蕩器, ,產(chǎn)生頻率穩(wěn)定的主振信號產(chǎn)生頻率穩(wěn)定的主振信號; ; 時鐘發(fā)生器時鐘發(fā)生器: :將主振信號整形分頻后將主振信號整形分頻后, ,得到時鐘脈沖信號得到時鐘脈沖信號; ; 啟?？刂齐娐穯⑼？刂齐娐? :控制時鐘脈沖的發(fā)與不發(fā)控制

23、時鐘脈沖的發(fā)與不發(fā); ; 3 3、時序系統(tǒng)的組成、時序系統(tǒng)的組成主振主振時鐘時鐘發(fā)生器發(fā)生器啟動啟動暫停暫停周期狀態(tài)周期狀態(tài)觸發(fā)器觸發(fā)器節(jié)拍節(jié)拍發(fā)生器發(fā)生器M1M1M2M2T1T1T2T2CLKCLK圖圖5.19 5.19 時序系統(tǒng)框圖時序系統(tǒng)框圖節(jié)拍發(fā)生器：通常由計數(shù)譯碼器的譯碼輸出來表示當(dāng)前所節(jié)拍發(fā)生器：通常由計數(shù)譯碼器的譯碼輸出來表示當(dāng)前所處的節(jié)拍，可以按先后順序，循環(huán)發(fā)出若干節(jié)拍信號。處的節(jié)拍，可以按先后順序，循環(huán)發(fā)出若干節(jié)拍信號。周期狀態(tài)觸發(fā)器：可以用計數(shù)譯碼器的譯碼輸出來表示當(dāng)周期狀態(tài)觸發(fā)器：可以用計數(shù)譯碼器的譯碼輸出來表示當(dāng)前所處的機器周期；或用前所處的機器周期；或用n n位觸發(fā)

24、器來分別表示位觸發(fā)器來分別表示n n個機器周個機器周期，當(dāng)機器處于某一周期時，相應(yīng)的觸發(fā)器處于期，當(dāng)機器處于某一周期時，相應(yīng)的觸發(fā)器處于“1”1”狀狀態(tài)，而其余態(tài)，而其余n-1n-1個觸發(fā)器處于個觸發(fā)器處于“0”0”狀態(tài)，狀態(tài)，n n位移位寄存器位移位寄存器即可實現(xiàn)此功能。即可實現(xiàn)此功能。 5.3.2 5.3.2 控制器的控制方式控制器的控制方式 控制器控制一條指令運行的過程是依次執(zhí)控制器控制一條指令運行的過程是依次執(zhí)行一個確定的微操作序列的過程。行一個確定的微操作序列的過程。 不同指令所對應(yīng)的微操作數(shù)及其繁簡程度不同指令所對應(yīng)的微操作數(shù)及其繁簡程度不同，故每條指令和每個微操作所需的執(zhí)不同，故每條指令和每個微操作所需的執(zhí)行時間也不相同。行時間也不相同。 如何形成控制不同微操作序列的時序控制如何形成控制不同微操作序列的時序控制信號就有多種不同的方法，稱做控制器的信號就有多種不同的方法，稱做控制器的控制方式，一般有三種方式?？刂品绞?，一般有三種方式。5.3.2 5.3.2 控制器的控制方式控制器的控制方式 1 1、同步控制方式、同步控制方式( (集中控制方式集中控制方式, ,中央控制方式中央控制方式) )：對：對各項操作由統(tǒng)一的時序信號進行同步控制。控制器